CC BY
22Научно-технический Архитектура
и производственный журнал и градостроительство
УДК
А.Г. МАЛИНИН, канд. техн. наук, технический директор, Д.А. МАЛИНИН, инженер,
ООО «СК«ИнжПроектСтрой» (Пермь)
Способ контроля сплошности ограждений из грунтоцементных свай вокруг глубоких котлованов
Приведены результаты стендовых и натурных испытаний ультразвуковой методикой для проверки сплошности ограждений глубоких котлованов, устроенных с применением струйной цементации. Показано, что данная методика является эффективным способом обнаружения локальных дефектов в грунтоцементном ограждении.
Ключевые слова: струйная цементация грунтов, ультразвуковой метод, котлованы.
Строительство глубоких котлованов в обводненных грунтах является одной из наиболее сложных задач подземного строительства. Одной из технологий, позволяющей создать водонепроницаемое грузонесущее ограждение вокруг котлована, является струйная цементация грунтов.
Основой технологии струйной цементации является использование энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором в режиме «mix-in-place» (перемешивание на месте). После твердения раствора образуется новый материал - грунтобетон, обладающий высокими прочностными и противофильтрационными характеристиками. Подробное описание технологии приведено в [1].
Ограждение из пересекающихся грунтоцементных колонн играет роль не только несущей конструкции, воспринимающей давление окружающего грунта (в этом случае сваи армируются трубами или другим прокатом), но и противофильтрацион-ной завесы, препятствующей поступлению воды в котлован.
В том случае, когда не обеспечено плотное примыкание свай друг к другу, выход воды или обводненного грунта в котлован приводит к аварийным ситуациям - разрывам близкорасположенных коммуникаций, просадкам поверхности окружающего грунта, аварийным осадкам фундаментов зданий окружающей застройки и т. д.
Именно по этим причинам перед началом разработки грунта в котловане чрезвычайно важно убедиться в сплошности конструкции из грунтоцементных колонн.
Рассмотрим пример устройства однорядного ограждения для случая, когда требуется плотное примыкание колонн друг к другу. В этом случае шаг устройства колонн составляет 50-90% от величины диаметра колонн.
На рис. 1 показан порядок устройства колонн состоящий из двух основных этапов. На первом этапе колонны в ограждении устраивают через одну колонну, на втором этапе выполняют промежуточные колонны. При этом струя цементного раствора «сканирует» поверхность ранее выполненных колонн, что обеспечивает плотное прилегание колонн друг к другу.
В реальности ограждающая конструкция может имеет дефекты. Первой причиной возникновения дефектов является расхождение грунтоцементных свай на глубине из-за отклонения бурового снаряда от вертикали при бурении ли-дерной скважины в процессе прямого хода.
Второй часто встречающейся причиной является нарушение сплошности однорядной конструкции из-за того, что в процессе струйной цементации (обратный ход буровой колонны) сформированы сваи с диаметром, величина которого меньше проектного значения. Это часто происходит из-за несоответствия геологического строения грунтового массива результатам геологических изысканий или из-за нарушения технологии производства работ.
В настоящее время не существует методик, позволяющих определить возникновение дефектов в процессе производства работ. На практике дефекты вскрываются только в процессе разработки грунта в котловане.
Рис. 1. Порядок устройства однорядной конструкции ограждения из грунтоцементных свай: а — этап № 1; б — этап № 2
Рис. 2. Внешний вид прибора CHUM
22013
21
Архитектура и градостроительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
fO
Излучатель
Jl i 1 1 1
1 1 \
N № Щ
1 1 |
f ■ V
Труба
Приемник
Лг
$
щ
Рис. 3. Схематичный принцип действия: а — прохождения сигнала в случае плотного примыкания свай друг к другу; б — отсутствие прохождения сигнала в случае расхождения свай
Отметим, что некоторые обнаруженные дефекты можно ликвидировать при помощи инъекции быстротвердеющих составов на основе цементов и синтетических смол, однако крупноразмерные дефекты, как правило, ликвидировать невозможно, что и приводит к аварийным ситуациям.
В настоящей работе авторами предлагается использовать ультразвуковой метод для проверки качества сплошности ограждений из грунтоцементных колонн перед началом разработки грунта в котловане. В случае обнаружения дефектов на данном этапе, ликвидация происходит наиболее просто - с помощью свай-дублеров, устроенных в районе обнаруженного дефекта.
Ультразвуковой метод контроля качества бетонных изделий начал широко применяться в 1970-х гг. Основными преимуществами данного метода является отсутствие необходимости изготовления дополнительных образцов для испытаний, т. е. возможность оценки качества реальной бетонной конструкции непосредственно на строительной площадке.
Метод основан на фиксировании времени прохождения ультразвукового сигнала через среду от передатчика до приемника. В зависимости от физических свойств материала происходит затухание амплитуды ультразвукой волны.
О дефектах внутри конструкции можно судить, когда время прохождения сигнала является на порядок большим, чем время его прохождения на остальных участках или, когда сигнал не обнаружен принимающим датчиком.
В настоящей работе приведены результаты применения существующих методик и стандартов для обнаружения дефектов в конструкциях из грунтоцементных колонн с помощью использования прибора CHUM. Отметим, что подобные результаты можно получить с помощью другого аналогичного прибора.
Прибор CHUM (Израиль) сконструирован для нераз-рушающего контроля качества буронабивных свай и стены в грунте (рис. 2) состоит из следующих комплектующих элементов: основной блок CHUM, два ультразвуковых датчика (излучатель и приемник), две катушки с кабелем по 50 м, два ролика с датчиками измерения глубины, соединительные кабели и блок питания, персональный компьютер с программным обеспечением для обработки результатов измерений.
Основной блок подключается через кабель USB к персональному компьютеру, на котором установлено специализированное программное обеспечение. Для применения ультразвукового контроля следует выполнить следующие мероприятия.
После завершения устройства грунтоцементных колонн в ее тело опускается труба длиной равной глубине бурения и цементации. Труба не должна быть заполнена цементным раствором или иными сторонними элементами, поэтому нижний конец трубы должен быть заглушен. Труба может быть металлической, если она выполняет функцию армирующего элемента. В случае устройства ПФЗ или сплошных зон укрепленного грунта можно использовать пластиковую трубку для удешевления стоимости работ. Каждая труба заполняется технической водой для передачи ультразвукового сигнала.
Ультразвуковые испытания проводятся через 3-4 недели после устройства грунтоцементных колонн, что необходимо для набора прочности грунтоцемента. В процессе твердения возрастает модуль деформации грунтоцемен-та - именно на значительной разности значений модуля деформации грунтоцемента и несцементированного грунта в зоне дефекта и основан данный способ поиска дефектов.
1500 750 750
Песок
200
II
1500
/
3190
1-1
Грунтоцементная
Труба пульпа
057 мм
100 ' /
Рис. 4. Схема испытательного стенда
11,20 0
0 3 0,4
12 24 36 48 Время прибытия сигнала, мс
Амплитуда, дБ
0,7 74!
0,9 108
Рис. 5. Результаты измерений (отчетливо видна зона, где ультразвуковой сигнал отсутствует)
б
а
22
22013
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Архитектура и градостроительство
Рис. 6. Устройство свай-дублеров
Ультразвуковые датчики (приемник и передатчик) опускают на одном уровне в две соседние трубы до нижней отметки зоны цементации. Измерения проводятся снизу-вверх постепенным параллельным подъемом датчиков в зоне цементации с фиксацией результатов измерений.
В процессе измерений передатчик генерирует ультразвуковой сигнал, а приемник принимает этот сигнал (рис. 3). Прохождение сигнала фиксируют на каждом интервале длины, который варьируют от 10 до 100 мм. Прибор фиксирует время прохождения через грунтоцементную среду и изменение мощности сигнала. С помощью роликов с датчиками прибор фиксирует глубину соответствующую измеренным данным.
Результаты измерений отображаются на персональном компьютере и сохраняются в файле. По результатам измерений проводится анализ сплошности грунтоцемента в ограждающей конструкции.
Признаком качественной цементации грунта между колоннами является фиксация прохождения ультразвукового сигнала по всей длине двух соседних свай. Отсутствие сигнала указывает на наличие незацементированного грунта между сваями.
Для проверки предлагаемого метода в условиях строительной площадки одного из текущих объектов ООО «СК «ИнжПроектСтрой» построен стенд для проведения тестовых испытаний. Схема стенда показана на рис. 4.
В деревянный ящик размерами 3200X800X850 мм были установлено три трубы на расстоянии 1500 мм друг от друга. Между двух труб искусственно сформирована прослойка из песка на всю высоту и ширину ящика с переменой толщиной от 100 до 200 мм. Ящик заполнен грунтоцементной пульпой, изъятой при производстве работ на объекте. Испытания проводили спустя 1 месяц после заполнения стенда грунтоцементной пульпой, что было необходимо для набора прочности грунтоцемента.
При тестировании прибора установлено, что ультразвуковой сигнал через песчаную перегородку не прошел. Измерения через вторую пару труб показали, что ультразвуковой сигнал проходит через грунтоцемент за 0,6-0,9 мс.
Таким образом, стендовые испытания показали, что дефекты размеров 100-200 мм в грунтоцементном массиве обнаруживаются гарантировано.
Впервые предложенная методика применена в 2011 г. при строительстве котлована подземного паркинга многоэ-
Рис. 7. Внешний вид участка с ликвидированным дефектом сплошности ограждения
тажного жилого дома в г. Пушкино (Московская обл.). Специалистами ООО «Строительная компания «ИнжПроект-Строй» выполнены работы по устройству ограждения котлована в обводненных песчаных грунтах глубиной до 6 м.
Рядом с границей строительной площадки протекала небольшая речка, поэтому уровень грунтовых вод установлен на глубине всего 0,5 м.
Ограждение из пересекающихся грунтоцементных свай должно было выполнять функцию противофильтрационной завесы, так как выход обводненного грунта в котлован мог привести к аварийным осадкам многоэтажного дома, расположенного на расстоянии всего 25-30 м от бровки котлована.
Контроль качества сплошности ограждения выполняли ультразвуковым методом через трубы диаметром 73 мм, установленные в центре каждой сваи и играющие роль армирующего элемента.
На рис. 5 показан пример обработки результатов измерений сплошности ограждения. Графики показывают, что на глубине приблизительно от 2,5 до 4,5 м прохождение ультразвукового сигнала не было зафиксировано, что свидетельствует о наличии дефекта, связанного с уменьшением диаметра колонн в этой зоне.
По результатам измерений установлены участки ограждения с дефектами. На участках ограждения котлована, где показания прибора были неудовлетворительными, выполнена дополнительная цементация (рис. 6). После откопки котлована протечек грунтовых вод не было зафиксировано.
На рис. 7 показан внешний вид участка, где были выполнены сваи-дублеры с целью ликвидации обнаруженных дефектов.
Таким образом, предложенный способ контроля показал эффективность и впоследствии запатентован авторами [2]. Внедрение способа контроля качества ультразвуком дает возможность заказчику и подрядчику убедится в корректном исполнении проектного решения до разработки грунта и тем самым предотвратить возможные аварийные ситуации при строительстве котлована.
Список литературы
1. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. М.: Строй-издат, 2010. 226 с.
2. Патент РФ № 2392620 Способ контроля качества строительной конструкции / МалининА.Г., Малинин Д.А. //За-явл. 28.04.2009. Опубл. 20.06.2010. Бюл. № 17.
2'2013
23
